Ключом к решению стала успешная идентификация критических параметров, определяющих производительность и срок службы галогенидных перовскитов, фотоэлектрического материала нового поколения, который стал одним из самых перспективных материалов для фотоэлектрических устройств благодаря своей уникальной кристаллической структуре. Результаты были опубликованы в Наука.

Исследовательская группа под руководством доцента ЛИН Йен-Хунг из департамента электронной и вычислительной техники и Государственной ключевой лаборатории передовых дисплеев и технологий оптоэлектроники исследовала различные способы пассивации - химического процесса, который уменьшает количество дефектов или смягчает их воздействие на материалы, тем самым повышая производительность и долговечность устройств. устройства, содержащие эти материалы. Они сосредоточились на молекулярном семействе "аминосиланов" для пассивации перовскитных солнечных элементов.

"Пассивация во многих формах была очень важна для повышения эффективности перовскитных солнечных элементов в течение последнего десятилетия. Однако способы пассивации, которые приводят к максимальной эффективности, часто существенно не улучшают долгосрочную стабильность работы", - объяснил профессор Лин. В чем проблема.

Впервые исследовательская группа показала, как различные типы аминов (первичных, вторичных и третичных) и их комбинации могут улучшить поверхность пленок перовскита, на которых образуется много дефектов. Они достигли этого, используя как "ex-situ" (вне рабочей среды), так и "in-situ" (внутри рабочей среды) методы наблюдения за взаимодействием молекул с перовскитами. После этого они идентифицировали молекулы, которые существенно увеличивают квантовый выход фотолюминесценции (PLQY), то есть количество фотонов, испускаемых при возбуждении материалов, что указывает на меньшее количество дефектов и лучшее качество.

"Этот подход имеет решающее значение для разработки тандемных солнечных элементов, которые сочетают в себе несколько слоев фотоактивных материалов с различной шириной запрещенной зоны. Конструкция позволяет максимально использовать солнечный спектр за счет поглощения различных частей солнечного света в каждом слое, что приводит к повышению общей эффективности", - говорит профессор Дж. Лин подробно остановилась на этом заявлении.

Для демонстрации солнечных элементов команда изготовила устройства среднего (0,25 см2) и большого (1 см2) размеров. В ходе эксперимента были достигнуты низкие потери фотоэлектрического напряжения в широком диапазоне запрещенных зон при сохранении высокого выходного напряжения. Эти устройства достигали высоких напряжений холостого хода, превышающих 90% от термодинамического предела. Сравнительный анализ примерно 1700 наборов данных из существующей литературы показал, что их результат был одним из лучших на сегодняшний день с точки зрения эффективности преобразования энергии.

Что еще более важно, исследование продемонстрировало замечательную стабильность работы элементов, пассивированных аминосиланом, в соответствии с протоколом Международного саммита по органическим солнечным элементам (ISOS)-L-3, стандартизированной процедурой тестирования солнечных элементов. Примерно через 1500 часов после начала процесса старения ячейки КПД максимальной мощности (MPP) и эффективность преобразования энергии (PCE) оставались на высоком уровне. Для наиболее пассивированных ячеек, которые снизились до 95% от их первоначальных значений, были зафиксированы лучшие показатели эффективности MPP и PCE на уровне 19,4% и 20,1% соответственно - одни из самых высоких (с учетом ширины полосы пропускания) и самые продолжительные показатели, зарегистрированные на сегодняшний день.

Профессор Лин подчеркнул, что процесс их обработки не только повышает эффективность и долговечность перовскитных солнечных элементов, но и совместим с промышленным производством.

"Эта обработка аналогична процессу грунтования HMDS (гексаметилдисилазаном), широко используемому в полупроводниковой промышленности", - сказал он. "Такое сходство говорит о том, что наш новый метод может быть легко интегрирован в существующие производственные процессы, что делает его коммерчески жизнеспособным и готовым к широкомасштабному применению".

В состав команды входили аспирант кафедры электроники и вычислительной техники ЦАО Сюэ-Ли, старший менеджер Государственной ключевой лаборатории передовых дисплеев и оптоэлектронных технологий доктор Фион ЕНГ, а также сотрудники Оксфордского университета и Университета Шеффилда.